DE102008042617A1

DE102008042617A1 - Kraftstoffpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung mit taillierter Ventilplatte

Info

Publication number: DE102008042617A1
Application number: DE200810042617
Authority: DE
Inventors: Joerg Morlok; Volkhard Ammon
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2010-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe (1) zur Kraftstoffhochdruckerzeugung in einem Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Pumpengehäuse (20) mit einem darin aufgenommenen Pumpenkolben (18), einem dem Pumpenkolben (18) zugeordneten Förderraum (16), eine zylinderförmige Ventilplatte (4) mit wenigstens einer Radialbohrung (8) und einer Axialbohrung (6), die von einem Ventilelement (10) verschließbar ist und den Förderraum (16) im geöffneten Zustand des Saugventils (2) zur Zufuhr von Kraftstoff mit der wenigstens einen Radialbohrung (8) strömungsseitig verbindet, wobei die Ventilplatte (4) eine die Ventilplatte (4) umschließende Ringnut (38) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Speichereinspritzsystem, das auch als Common-Rail-System bezeichnet wird, ist die Druckzeugung und die Einspritzung des Kraftstoffes voneinander entkoppelt. Der Kraftstoff wird hierbei durch eine Vorförderpumpe mit einem Druck von ungefähr 0,3 bis 0,7 MPa bzw. 3 bis 7 bar vom Kraftstoffbehälter stetig zu einer Kraftstoffpumpe gefördert, die den Kraftstoff unter einem hohen Druck von bis zu 200 MPa bzw. 2000 bar in ein als Hochdruckspeicher dienendes Rohrleitungssystem, dem so genannten ”Rail”, fördert. In Abhängigkeit der Steuersignale einer Steuereinheit wird der Kraftstoff vom Hochdruckspeicher aus über Injektoren in die Brennräume der Zylinder eingespritzt. Die Aufgabe des Hochdruckspeichers liegt hierbei im Speichern des mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoffes.
Das Speichereinspritzsystem setzt sich somit aus einem Niederdruckteil und einem Hochdruckteil zusammen, wobei der Hochdruckteil vom Niederdruckteil mit Kraftstoff versorgt wird. Das Niederdruckteil umfasst hierzu einen Kraftstoffbehälter, einen Vorfilter, eventuell eine Kraftstoffheizung, einen Kraftstofffilter, eine Vorförderpumpe und Kraftstoff-Niederdruckleitungen, wohingegen sich das Hochdruckteil aus der Kraftstoffpumpe, Kraftstoff-Hochdruckleitungen, dem Hochdruckspeicher mit Druckregelventil, Raildrucksensoren und Durchflussbegrenzer sowie den Injektoren zusammen setzt.
Die Kraftstoffpumpe, die als Schnittstelle zwischen dem Niederdruckteil und dem Hochdruckteil des Einspritzsystems dient, stellt hierbei dem Hochdruckteil in allen Betriebszu ständen der Brennkraftmaschine eine ausreichende Menge an verdichtetem Kraftstoff zur Verfügung.
Bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge ist es bekannt, Kolbenpumpen für die Druckerzeugung zu verwenden. Die zumeist als Radialkolbenpumpen ausgebildeten Kraftstoffpumpen umfassen hierzu wenigstens einen Kolben, der in axialer Richtung bewegbar im Pumpengehäuse geführt ist. Der Kolben, der über eine Nockenwelle angetrieben wird, verdichtet den in einem Förderraum befindlichen Kraftstoff, der durch das Pumpengehäuse, den Pumpenkolben und ein Saugventil begrenzt wird. Das Saugventil umfasst hierzu eine als Ventilgehäuse dienende Ventilplatte mit einem darin aufgenommenen länglichen Ventilelement. Am Ende des Ventilelements ist ein Ventilteller angeordnet, der im geschlossenen Zustand des Saugventils mit einem an der Ventilplatte vorgesehenen Ventilsitz zusammenwirkt. In der geöffneten Stellung des Ventilelements verbindet das Saugventil den Förderraum strömungsmäßig mit einem Pumpensaugraum, der über eine Kraftstoffzufuhrleitung mit dem Niederdruckteil des Einspritzsystems verbunden ist. Bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens wird somit über das Saugventil eine Kraftstoffmenge aus dem Pumpensaugraum in den Förderraum angesaugt. Bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens und einem geschlossenen Saugventil wird die angesaugte Kraftstoffmenge durch den Pumpenkolben mit Hochdruck beaufschlagt und über ein Druckventil in den Hochdruckspeicher des Einspritzsystems geleitet.
An der dem Pumpenkolben zugewandten Seite der Ventilplatte ist eine kreisringförmige Dichtscheibe vorgesehen, die den Pumpensaugraum gegenüber dem Förderraum abdichtet. Die Ventilplatte wird hierbei durch ein in den Zylinderkopf der Kraftstoffpumpe eingefügtes Druckstück in Einbaulage gehalten. Die Ventilplatte ist durch die alternierende Verdichtung des Kraftstoffes im Förderraum während des Betriebs der Kraftstoffpumpe einer Druckschwellbelastung ausgesetzt, die zu hohen Zugspannungen in der Ventilplatte und zu einem Schlupf zwischen dem Zylinderkopf und der Ventilplatte bzw. der Ventilplatte und der Dichtscheibe führt, wodurch Druckverluste im Förderraum auftreten und sich die Lebensdauer der Ventilplatte verkürzt.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung bereitzustellen, welches ein Saugventil mit einer hohen Ermüdungsfestigkeit und geringen Druckverlusten während des Betriebes der Kraftstoffpumpe umfasst.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Druckerhöhung von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine umfasst die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe ein Pumpengehäuse mit wenigstens einem darin aufgenommenen Pumpenkolben, der in axialer Richtung bewegbar geführt ist. Dem Pumpenkolben ist ein Förderraum zugeordnet, in dem der aus einem Niederdruckteil der Brennkraftmaschine angesaugte Kraftstoff mit Hochdruck beaufschlagt wird. Zur Zufuhr von Kraftstoff in den Förderraum weist die Hochdruckpumpe ein Saugventil auf, das eine zylinderförmige Ventilplatte mit wenigstens einer Radialbohrung und einer Axialbohrung sowie ein die Axialbohrung verschließendes Ventilelement umfasst. Im geöffneten Zustand des Ventilelements kann bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens somit Kraftstoff über die Axialbohrung und die Radialbohrung der Ventilplatte in den Förderraum angesaugt werden.
Gemäß der Erfindung weist die Ventilplatte eine die Ventilplatte umschließende Ringnut auf, welche die Steifigkeit der Ventilplatte verringert.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer umfänglichen Nut ergibt sich der Vorteil, dass die Schwellbeanspruchung der Ventilplatte mit Zug- und Druckspannungen, wie sie bei den einzeln Verdichtungszyklen der Kraftstoffpumpe im Bereich der Ventilplatte auftreten, elastisch von der in der Kraftstoffpumpe fixierten Ventilplatte aufgenommen werden. Ob wohl durch die Verringerung der Steifigkeit die in der Ventilplatte auftretenden Druckspannungen sich erhöhen, verringert sich die Belastung der Ventilplatte mit kritischen Zugspannungen, so dass die Ventilplatte eine hohe Dauerfestigkeit aufweist.
Die Ringnut kann beispielsweise eine Rechteckform oder eine Trapezform umfassen, wobei die Ringnut nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine zylindrische Form aufweist.
Um im Belastungsfall Kerbspannungen im Bereich der Ringnut zu vermeiden, kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens der Nutgrund der Ringnut eine gerundete Form aufweist. In diesem Zusammenhang kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ringnut eine elliptische Form aufweist. Darüber hinaus kann es nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass auch die we nigstens eine Schnittkante der Radialbohrung mit der umlaufenden Ringnut gerundet ist. Neben der Erzielung von günstigen Strömungsverhältnissen beim Einströmen von Kraftstoff in die Radialbohrung ergibt sich hierdurch weiterhin der Vorteil, dass die im Betrieb der Kraftstoffpumpe auftretenden Spannungen sich nicht im Bereich der Ringnut konzentrieren.
Die Ringnut weist vorzugsweise eine Breite auf, die dem Durchmesser der Radialbohrung entspricht. Alternativ hierzu kann es gemäß der Erfindung jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ringnut eine Breite aufweist, die größer als der Durchmesser der Radialbohrung ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird von dem Pumpengehäuse der Kraftstoffpumpe und der Ventilplatte ein Ringraum begrenzt, der strömungsmäßig mit einer Kraftstoffzufuhrleitung verbunden ist. Bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens und geöffnetem Saugventil kann somit Kraftstoff über die Axialbohrung und die Radialbohrung aus dem Ringraum angesaugt werden.
Gemäß der Erfindung kann in dem Ringraum ein Siebelement vorgesehen sein, dass die Ringnut vollkommen umschließt. Das Siebelement weist hierzu vorzugsweise eine Ringform bzw. die Form eines Hohlzylinders auf.
Durch die Verwendung eines die Ringnut umschließenden Siebelementes wird verhindert, dass Verunreinigungen, insbesondere Partikel, in die verschleißgefährdeten Bereiche des Saugventils und des Pumpenkolbens gelangen. Die Zufuhr der Partikel, bei welchen es sich beispielsweise um metallischen Abrieb handeln kann, erfolgt hierbei zusammen mit dem Kraftstoff der Hochdruckpumpe aus dem Niederdruckteil der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Gemäß der Erfindung kann das Siebelement ein feinmaschiges Gewebe umfassen, wodurch das Siebelement auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist. Um eine Schädigung des Saugventils zuverlässig auszuschließen, kann es gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass das Siebelement eine Öffnungsweite aufweist, die kleiner als der Hub des Ventilelements ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise verhindert, dass Partikel, deren Größe größer als der Hub des Ventilelements ist, bis zu diesem vordringen und sich in Bereich des Ventilsitzes anlagern können.
Erfindungsgemäß kann das Siebelement sowohl in der Ringnut als auch im Ringraum selbst angeordnet sein. Durch die Anordnung eines die Ventilplatte ummantelnden Siebelements im Bereich des Ringraums ergibt sich der Vorteil, dass ein Hohlraum von der inneren Mantelfläche des Siebelements und der Wand der Ringnut begrenzt wird, wodurch das Siebelement eine große zur Verfügung stehende Siebfläche aufweist. Eine besonders große effektive Siebfläche ergibt sich dann, wenn die Breite der Ringnut größer als der Innendurchmesser der Radialbohrung ist. Durch die Vergrößerung der nicht von der Ventilplatte verdeckten inneren Mantelfläche des Siebelements weist das Siebelement lediglich einen geringen Strömungswiderstand auf, wodurch sich die Druckverluste des Kraftstoffes beim Durchströmen des Siebelements verringern.
Zur Befestigung des Siebelements an der Ventilplatte kann es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ventilplatte zwei weitere Nuten aufweist, die jeweils an den Rändern der Ringnut angeordnet sind und das Siebelement zumindest abschnittsweise aufnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Detailansicht aus einem schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe mit einem in einer Axialausnehmung angeordneten Saugventil; sowie
2 einen schematischer Längsschnitt durch das in 1 gezeigte Saugventil, welches eine zylindrische Ventilplatte mit einer umlaufenden Ringnut aufweist.
In der 1 ist eine Detailansicht einer Kraftstoffpumpe 1 dargestellt, welche ein Saugventil 2 umfasst, das auf der Saugseite eines Pumpenkolbens 18 angeordnet ist. Der Pumpenkolben 18 und das Saugventil 2 sind dabei in einer abgestuften Axialausnehmung 26 des Pumpengehäuses 20 der Kraftstoffpumpe 1 angeordnet, wobei der Pumpenkolben 18 in axialer Richtung verschieblich in einem Bohrungsabschnitt der Axialausnehmung 26 aufgenommen ist. Das Saugventil 2 und das in 1 dargestellte obere Ende des Pumpenkolbens 18 begrenzen hierbei den Förderraum 16 des Pumpenkolbens 18. Vom Förderraum 16 zweigt ein nicht dargestellter Auslasskanal ab, der zu einem ebenfalls nicht dargestellten Druckventil führt.
Das in 1 oberhalb des Förderraums 16 angeordnete Saugventil 2 umfasst eine zylinderförmige Ventilplatte 4, die von einem in die Axialausnehmung 26 des Pumpengehäuses 20 eingefügten Druckstück 28 in Einbaulage gehalten wird. Zur Abdichtung des Förderraums 16 ist zwischen der Ventilplatte 4 und deren Sitz 30 am Pumpengehäuse 20 eine kreisringförmiger Dichtscheibe 32 angeordnet. Der am Pumpengehäuse 20 vorgesehene Sitz 30 ist hierbei als ringförmige Erhebung ausgeführt, auf dem die Dichtscheibe 32 abschnittsweise aufliegt.
Wie aus der Darstellung des Saugventils 2 in 1 und 2 hervorgeht, ist neben einer sich um den Umfang der Ventilplatte 4 erstreckenden Ringnut 38 weiterhin eine zylindrische Axialbohrung 6 und eine Radialbohrung 8 in der Ventilplatte 4 vorgesehen. In der Axialbohrung 6 der Ventilplatte 4 ist hierbei ein in axialer Richtung bewegbares Ventilelement 10 mit Ventilteller 12 angeordnet, welches sich durch die Ventilplatte 4 hindurch erstreckt. Der Ventilteller 12, der an dem dem Förderraum 16 zugewandten Ende des Ventilelements 10 angeordnet ist, wirkt dabei mit einem Dichtsitz 14 an der Ventilplatte 4 zusammen, wodurch die Axialbohrung 6 gegenüber dem in 1 gezeigten Förderraum 16 flüssigkeitsdicht verschließbar ist. An dem gegenüberliegenden Ende des Ventilelements 10 ist ein Federteller 22 angeordnet, der die Druckkräfte von einer Saugventilfeder 24, die sich an der Ventilplatte 4 abstützt, auf das Ventilelement 10 überträgt. Die zwischen der Ventilplatte 10 und dem Federteller 22 angeordnete Saugventilfeder 24 drückt somit den Ventilteller 12 des Ventilelements 10 gegen den Dichtsitz 14, der an der Ventilplatte 4 vorgesehen ist.
Die Rückstellkraft der Saugventilfeder 24 weist hierbei eine Größe auf, so dass sich das Saugventil 2 durch den Unterdruck, der bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 18 und somit beim Ansaugen von Kraftstoff entsteht, selbsttätig öffnet. Alternativ kann es nach einer in 1 und 2 nicht dargestellten Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Ventilelement 10 des Saugventils 2 hydraulisch oder über ein Aktor ansteuerbar ist.
Um den Umfang der Ventilplatte 4 des in 1 dargestellten Saugventils 2 erstreckt sich ein Ringraum 34, der vom dem Pumpengehäuse 20, dem Druckstück 28 und der Ventilplatte 4 begrenzt wird. Der Ringraum 34 ist vorzugsweise koaxial zur der sich ebenfalls um den Umfang der Ventilplatte 4 erstreckenden Ringnut 38 angeordnet.
Innerhalb des Ringraums 34 ist ein ringförmiges bzw. hohlzylinderförmiges Siebelement 40 vorgesehen, welches ebenfalls koaxial zur Ringnut 38 angeordnet ist und diese ummantelt. Das ringförmige Siebelement 40 weist dabei eine Breite auf, die vorzugsweise größer als die Breite der Ringnut 38 ist. Durch die Ummantelung der Ringnut 38 durch das Siebelement 40 begrenzt die innere Mantelfläche des Siebelements 40 und der Nutgrund 50 der Ringnut 38 einen Hohlraum, der die Breite der Ringnut 38 aufweist. Hierdurch weist das Siebelement 40 eine große effektive Siebfläche auf, so dass die Druckverluste gering sind, wenn der Kraftstoff aus dem Ringraum 34 angesaugt wird und das Siebelement 40 in Richtung der Radialbohrung 8 durchströmt.
Zur Fixierung des sich um die Ringnut 38 erstreckenden Siebelements 40 sind im Bereich der Ränder der Ringnut 38 weitere Nuten 42 in der Ventilplatte 4 vorgesehen, in die das ringförmige Sieb wenigstens abschnittsweise eingefügt ist. Zur Montage des ringförmigen Siebelements 40, das vorzugsweise aus einem elastischen Filter- oder Siebmaterial besteht, kann dieses beispielsweise in radialer Richtung gedehnt und über die Ventilplatte 4 in die entsprechende Einbaulage verschoben werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, das ringförmige Siebelement 40 derart auszubilden, dass dieses mittels einer bereits erprobten und bewährten Steck-/Schnappverbindung montierbar ist, wobei zum Aufweiten des ringförmigen Siebs 40 ein Folienscharnier, d. h. eine hinsichtlich der Materialstärke geschwächte Stelle bevorzugt dem Steck-/Schnappverschluss gegenüberliegend am ringförmigen Sieb 40 ausgebildet ist.
Wie der Darstellung in 1 und 2 zu entnehmen ist, weist die in der Ventilplatte 4 vorgesehene Radialbohrung 8 einen zylindrischen Abschnitt 46 auf, der sich von der Axialbohrung 6 in Richtung der am Außenumfang der Ventilplatte 4 angeordneten Ringnut 38 erstreckt. Der zylindrische Abschnitt 46 der Radialbohrung 8 geht hierbei an dem der Ringnut 38 zugewandten Ende in einen konischen Abschnitt 48 über, dessen Innendurchmesser sich in Richtung der Ringnut 38 vergrößert. Der konische Abschnitt 48 stellt somit den Übergangsbereich der Radialbohrung 8 zur Ringnut 38 dar. Die Ringnut 38 selbst weist nach der Darstellung in 1 und 2 eine zylindrische Form auf, wobei der Nutgrund 50 der Ringnut 38 zur Vermeidung von Kerbspannungen gerundet ist. Anstelle eine zylindrischen Form der Ringnut 38 kann es nach in 1 und 2 nicht dargestellten Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Ringnut 38 eine elliptische Form oder ein sonstiges, einen kurvenförmigen Abschnitt umfassendes Querschnittsprofil aufweist.
Um im Bereich der Verschneidung der Radialbohrung 8 und der Ringnut 38 Spannungsspitzen und Verwirbelungen des angesaugten Kraftstoffes während des Betriebs der Kraftstoffpumpe zu vermeiden, ist die Schnittkante 44 der Radialbohrung 8 und der Ringnut 38 gerundet.
Bei einer Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 18 wird der Förderraum 16 vergrößert, wodurch in diesem ein Unterdruck entsteht, der den Ventilteller 12 des Ventilelements 10 von seinem Dichtsitz 14 an der Ventilplatte 4 abheben lässt. Auf diese Weise kann Kraftstoff aus dem Ringraum 34 über die Axialbohrung 6 und die Radialbohrung 8 des geöffneten Saugventils 2 angesaugt werden, wobei der Kraftstoff das um die Ringnut 38 herum angeordnete Siebelement 40 durchströmt.
Durch die um den Umfang der Ventilplatte 4 angeordnete Ringnut 38 kann die Ventilplatte 4 die während des Betriebs der Kraftstoffpumpe 1 auf sie einwirkenden Kräfte elastisch aufnehmen, wodurch die Belastung des Druckstücks 28 und des Pumpengehäuses 20 verringert und ein Schlupf zwischen dem Druckstück 28 und der Ventilplatte 4 sowie zwischen der Ventilplatte 4 und der Dichtscheibe 32 weitestgehend verhindert werden.

Claims

Kraftstoffpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung in einem Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine umfassend ein Pumpengehäuse (20) mit einem darin aufgenommenen Pumpenkolben (18), einem dem Pumpenkolben (18) zugeordneten Förderraum (16), eine zylinderförmige Ventilplatte (4) mit wenigstens einer Radialbohrung (8) und einer Axialbohrung (6), die von einem Ventilelement (10) verschließbar ist und den Förderraum (16) im geöffneten Zustand des Saugventils (2) zur Zufuhr von Kraftstoff mit der wenigstens einen Radialbohrung (8) strömungsmäßig verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilplatte (4) eine die Ventilplatte (4) umschließende Ringnut (38) aufweist.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (38) eine zylindrische Form aufweist.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (38) wenigstens im Nutgrund (50) eine gerundete Form aufweist.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (38) eine elliptische Form aufweist.
Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (38) eine Breite aufweist, die dem Durchmesser der Radialbohrung (8) entspricht.
Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (38) eine Breite aufweist, die größer als der Durchmesser der Radialbohrung (8) ist.
Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (20) und die Ventilplatte (4) einen Ringraum (34) begrenzen, der strömungsmäßig mit einer Kraftstoffzufuhr (36) verbunden ist.
Kraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Siebelement (40) vorgesehen ist, das die Ringnut (38) umschließt.
Kraftstoffpumpe nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Siebelement (40) innerhalb des Ringraums (34) angeordnet ist und die Ringnut (38) ummantelt.
Kraftstoffpumpe nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rändern der Ringnut (38) jeweils eine weitere Nut (42) zur Aufnahme des Siebelements (40) vorgesehen ist.